Složení a princip fungování fotovoltaických výrobních systémů

Složení a princip fungování fotovoltaických (PV) systémů pro výrobu elektrické energie

Fotovoltaický (PV) systém pro výrobu elektrické energie se primárně skládá z PV článků, řadiče, inverteru, baterií a dalších příslušenství (baterie nejsou potřebné pro systémy připojené k síti). Na základě toho, zda je systém závislý na veřejné elektrické síti, se PV systémy dělí na izolované a připojené k síti. Izolované systémy fungují nezávisle bez podpory veřejné sítě. Jsou vybaveny akumulačními bateriemi, které zajistí stabilní dodávku elektrické energie, což umožňuje zásobování elektrickou energií za noci nebo po delší období mračnatého/počasí s déšťem, kdy solární výroba není dostatečná.

Bez ohledu na typ systému zůstává princip fungování stejný: PV články převádějí sluneční svit na stejnosměrný proud (DC), který je pak inverterem převeden na střídavý proud (AC), což umožňuje spotřebu energie nebo připojení k síti.

1. Fotovoltaické (PV) články

PV články jsou klíčovou součástí celého výrobního systému. Vytvářejí se kombinací jednotlivých fotovoltaických článků, které jsou rozděleny do různých velikostí pomocí laseru nebo drátových pila. Protože napětí a proud ze samostatného slunečního článku jsou velmi nízké, jsou nejprve spojeny v sérii, aby bylo dosaženo vyššího napětí, a pak rovnoběžně, aby byl zvýšen proud. Sestava obsahuje blokovací diodu (k prevenci protijednoho proudu) a je zapouzdřena v rámu z nerezové oceli, hliníku nebo netečných materiálů. Je uzavřena od přední strany silně zpevněným sklem, od zadní strany záclonou, plněna dusíkem a hermeticky uzavřena. Několik PV článků spojených v sérii a rovnoběžně tvoří PV pole (také známé jako sluneční pole).

Princip fungování: Když sluneční svit dopadne na polovodičový p-n přechod slunečního článku, generuje se elektron-holový páry. Pod vlivem elektrického pole na p-n přechodu se holové pohybují směrem k p-oblasti a elektrony směrem k n-oblasti. Pokud je okruh uzavřen, probíhá proud. Hlavním úkolem PV článků je převést sluneční energii na elektrickou energii, kterou lze ukládat do baterií nebo přímo zásobovat elektrické spotřebiče.

Typy PV článků:

• Monokrystalický křemen: Efektivita ≈ 18%, až 24% — nejvyšší ze všech typů PV. Typicky jsou zapouzdřeny s silně zpevněným sklem a vodotěsnou pryskyřicí, což jim dává dlouhověkost a trvanlivost (životnost až 25 let).

• Polokrystalický křemen: Efektivita ≈ 14%. Podobný výrobní proces jako u monokrystalického, ale s nižší efektivitou, nižší cenou a kratší životností. Nicméně, je jednodušší vyrábět, spotřebovává méně energie a má nižší náklady na výrobu, což vedlo k široké adopci.

• Amorfní křemen (tenká vrstva): Efektivita ≈ 10%. Vyrábí se pomocí zcela jiného procesu tenké vrstvy, který vyžaduje minimální množství křemíku a energie. Jeho hlavní výhodou je lepší výkon za nízkého osvětlení.

2. Řadič (Používá se v izolovaných systémech)

Sluneční nabíjecí řadič je automatické zařízení, které brání přetěžování a přepětí baterií. Vybaven vysokorychlostním CPU mikroprocesorem a vysokopřesným A/D převodníkem, funguje jako mikropočítačový systém pro sběr a monitorování dat. Rychle shromažďuje aktuální provozní data, sleduje stav systému a ukládá historická data, poskytuje přesná a dostatečná data pro hodnocení návrhu systému a spolehlivosti komponent. Podporuje sériovou komunikaci pro centralizované správu a vzdálené řízení více PV podsystémů.

3. Inverter

Inverter převádí stejnosměrný proud vygenerovaný slunečními panely na střídavý proud, což jej kompatibilní s standardními střídavými spotřebiči. PV inverter je klíčovou součástí BOS (balance of system) a zahrnuje speciální funkce, jako je sledování bodu maximálního výkonu (MPPT) a ochrana před ostrovením.

Typy slunečních invertorů:

• Standalone inverter: Používá se v izolovaných systémech. PV pole nabíjí baterii a inverter získává stejnosměrný proud z baterie pro zásobování střídavých spotřebičů. Mnoho standalone invertorů obsahuje vestavěné nabíječky, které mohou nabíjet baterie pomocí střídavého proudu. Tyto invertory nejsou připojeny k síti a nevyžadují ochranu před ostrovením.

• Grid-tied inverter: Přivádí střídavý proud zpět do veřejné sítě. Jeho výstupní vlna musí odpovídat fázi, frekvenci a napětí sítě. Automaticky se vypne, pokud je síť odpojena pro bezpečnost. Nezajišťuje záložní zásobování při výpadku sítě.

• Battery backup inverter: Speciální inverter, který používá baterie jako primární zdroj energie a zahrnuje nabíječku pro jejich nabíjení. Excesní energie může být přivedena zpět do sítě. Během výpadku sítě může zásobovat střídavým proudem určené okruhy a tedy zahrnuje ochranu před ostrovením.

4. Baterie (Není nutná v systémech připojených k síti)

Baterie je jednotka pro ukládání energie v PV systému. Běžné typy zahrnují uzavřené olověné kyseliny, zaplavované olověné kyseliny, gelové a nikl-kadmiové alkalické baterie. Uzavřené olověné kyseliny a gelové baterie jsou nejrozšířenější.

Princip fungování: Během dne sluneční svit dopadá na PV články, generuje stejnosměrné napětí a převádí světlo na elektrickou energii. Tato energie je odeslána do řadiče, který brání přetěžování, a pak je uložena v baterii pro pozdější použití, když je potřeba.